Metamateriaali ratkoo yhtälöitä

Tutkijoiden metamateriaalilaskin on kuvioitu polystyreenimuovista. Sen monimutkainen muoto edustaa osaa spesifisestä integraaliyhtälöstä, joka voidaan ratkaista eri muuttujille, jotka koodataan laitteeseen ajetuille mikroaalloille.

Pennsylvanian yliopiston insinöörit ovat suunnitelleet metamateriaalilaitteen, joka pystyy ratkaisemaan yhtälöitä.

Kehitetty "fotoninen laskenta" toimii koodaamalla parametreja saapuvan sähkömagneettisen aallon ominaisuuksiin ja siirtämällä ne metamateriaalilaitteen läpi; laitteen sisällä ainutlaatuinen rakenne manipuloi aaltoa siten, että se tulostaa ennalta asetettuun integraaliseen yhtälöön koodatun ratkaisun kyseiselle tulolle.

Heidän konseptin todistus kokeilu tehtiin mikroaalloilla, koska niiden pitkät aallonpituudet sallivat helpommin konstruoitavan makrotason laitteen. Havaintojensa taustalla olevat periaatteet voidaan kuitenkin skaalata valoaalloiksi, sopien lopulta mikrosiruun.

Tällaiset metamateriaalilaitteet toimivat analogisina tietokoneina, jotka toimivat valolla eikä sähköllä. Ne voisivat ratkaista integraali yhtälöitä - kaikkialla esiintyviä ongelmia kaikilla tieteen ja tekniikan toimialoilla - suuruusluokkaa nopeammin kuin digitaaliset kollegansa, samalla vähemmän virtaa käyttäen.

Tämän lähestymistavan juuret ovat analogisessa laskennassa. Ensimmäiset analogiset laskimet ratkaisivat matemaattisia ongelmat käyttäen mekaanisia vipuja ja hammaspyöriä. Elektroniset analogiset tietokoneet korvasivat ne 1900-luvun puolivälissä mutta uudelleen konfiguroitavien, ohjelmoitavien digitaalisten tietokoneiden tulo, joka alkoi vuonna 1945 Pennissä rakennetusta ENIACista, teki niistäkin sitten vanhentuneita.

Nader Engheta ja hänen tiiminsä julkaisivat teoreettinen hahmotelma "fotonisesta laskennasta" vuonna 2014, ja nyt hänen tiiminsä on ajanut fyysisiä kokeita, jotka vahvistavat tämän teorian ja ratkaisee yhtälöitä.

"Laitteemme sisältää dielektrisen materiaalin lohkon, jolla on hyvin spesifinen ilma-aukkojen jakauma", Engheta sanoo. "Tiimimme haluaa kutsua sitä" sveitsiläiseksi juustoksi."

Sähkömagneettisten aaltojen vuorovaikutusten hallitseminen tällä metastruktuurilla on avain yhtälön ratkaisemiseen. Kun järjestelmä on asennettu oikein, se mitä saat ulos, on ratkaisu integraaliyhtälöön.

Sveitsiläisen juuston onttojen alueiden kuvio määritetään ennalta ratkaisemaan integraalinen yhtälö tietyn tapauskohtaisen "kernelin" avulla. Se on yhtälön osa, joka kuvaa kahden muuttujan välistä suhdetta. Esiasetettu yhtälö voidaan ratkaista mihin tahansa mielivaltaiseen tuloon, joita edustaa laitteeseen syötettyjen aaltojen vaiheet ja suuruudet.

"Vaikka tämä on konseptivaiheessa, laite on erittäin nopea elektroniikkaan verrattuna", Engheta sanoo. "Mikroaaltoanalyysimme on osoittanut, että ratkaisu voidaan saada sadoissa nanosekunneissa, ja kun siirrämme sen optiikkaan, nopeus olisi pikosekunteja."

Käsitteen skaalautuminen mittakaavaan, jossa se voisi toimia valoaalloilla ja joka sijoitettaisiin mikrosirulle, tekisi ne vain käytännöllisemmiksi laskennassa.

"Voisimme käyttää uudelleen kirjoitettavien CD-levyjen perustana olevaa tekniikkaa tekemään uusia sveitsiläisten juustomalleja sitä mukaa kun niitä tarvitaan", Engheta sanoo. "Jonain päiviä saatat ehkä tulostaa oman muokattavan analogisen tietokoneen kotona!"

Aiheesta aiemmin:

Uusia sovelluksia metamateriaaleille

Analogista laskentatekniikkaa avaruuteen